原標(biāo)題：中國科大量子通信領(lǐng)域重要進展：首次在自由空間信道實現(xiàn)測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)實驗

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在量子通信領(lǐng)域取得了重要進展，首次在自由空間信道實現(xiàn)了測量設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)（MDI-QKD）實驗。以下是對這一進展的詳細歸納與分析：

一、實驗背景與意義

• 背景：量子密鑰分發(fā)（QKD）是一種利用量子力學(xué)原理保證通信安全的技術(shù)。MDI-QKD協(xié)議作為QKD的一種，利用雙光子干涉技術(shù)消除了探測端的所有安全漏洞，無需對測量端的量子設(shè)備進行任何安全性假設(shè)，被認(rèn)為是各種量子密鑰分發(fā)協(xié)議中的最佳候選協(xié)議之一。然而，MDI-QKD在自由空間信道中的實現(xiàn)一直面臨大氣湍流等挑戰(zhàn)。

• 意義：此次實驗不僅實現(xiàn)了MDI-QKD從光纖信道到自由空間信道的突破，還開啟了在自由空間信道中實現(xiàn)基于遠距離量子干涉的更復(fù)雜的量子信息處理任務(wù)的可能。這對于構(gòu)建覆蓋全球的量子通信網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

二、實驗團隊與成果

• 實驗團隊：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授及其同事彭承志、張強等，與清華大學(xué)王向斌教授、中科院上海微系統(tǒng)所尤立星等人合作完成了此次實驗。

• 成果：相關(guān)成果于2020年12月23日以編輯推薦的形式在線發(fā)表在《物理評論快報》上。實驗在上海城市大氣信道中實現(xiàn)了兩個信道長度分別為7.7km和11.5km的MDI-QKD，通信雙方Alice和Bob間距離為19.2km，該距離遠遠超過了地球大氣的等效厚度。

三、實驗技術(shù)難點與解決方案

• 技術(shù)難點：

1. 自由空間信道的大氣湍流破壞了空間模式，導(dǎo)致干涉測量前的耦合效率低下。

2. 光強的快速漲落使得光纖MDI-QKD系統(tǒng)中的時鐘傳遞、光頻比對方法難以直接應(yīng)用于自由空間信道中。

• 解決方案：

1. 開發(fā)了一種基于隨機梯度下降算法的具有抵抗強湍流能力的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，使雙鏈路總信道效率提升約4~10倍。

2. 在三個實驗點分別使用了超穩(wěn)晶振作為獨立時鐘源，并通過測量脈沖到達時間實時反饋，得到32ps的獨立時鐘同步精度。在兩個編碼端分別使用HCN分子吸收池校準(zhǔn)光頻，使得干涉光的頻率差小于10MHz，從而實現(xiàn)了遠距離獨立激光器之間的鎖頻。

四、實驗影響與展望

• 影響：此次實驗的成功不僅驗證了MDI-QKD在自由空間信道中的可行性，還為基于衛(wèi)星的MDI-QKD邁出了堅實一步。同時，該實驗發(fā)展的相關(guān)技術(shù)為在自由空間進行量子干涉的相關(guān)量子實驗開辟了道路，如量子中繼器、量子網(wǎng)絡(luò)等。

• 展望：未來，隨著量子通信技術(shù)的不斷發(fā)展，基于衛(wèi)星平臺和地面光纖網(wǎng)相結(jié)合的量子通信網(wǎng)絡(luò)將成為構(gòu)建覆蓋全球量子通信網(wǎng)絡(luò)最為可行的手段。此次實驗的成功為這一目標(biāo)的實現(xiàn)提供了重要支持。

綜上所述，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在量子通信領(lǐng)域取得的這一重要進展，不僅實現(xiàn)了MDI-QKD從光纖信道到自由空間信道的突破，還為未來的量子通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)奠定了堅實基礎(chǔ)。